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“火星科学实验室”主要技术突破分析
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程绍驰吴水香
北京时间8月6日13时31分,NASA新一代火星探测器“火星科学实验室”(MSL)经过8.5个月的飞行,成功在火星表面着陆,并传回第一组火星照片。作为迄今为止最庞大、最复杂、最先进、最昂贵的火星探测器,“火星科学实验室”不仅将使人类对火星的认识发生革命性变化,而且将为美国本世纪实现载人登陆火星计划验证关键的支撑技术。本文着重分析“火星科学实验室”取得的主要技术突破及其对美国载人航天发展战略的影响。
探测器构成及科学目标
(一)构成
“火星科学实验室”主要由巡航级,进入、下降与着陆系统和好奇号漫游车三部分构成。巡航级在探测器的星际航行阶段发挥作用,最多能利用6次轨道修正机会将探测器运送到设计的火星进入路线;进入、下降与着陆系统主要由隔热罩、降落伞和“空中吊车”着陆系统三部分组成。隔热罩主要负责隔离好奇.号漫游车穿过火星大气层时所产生的高温,降落伞主要负责将好奇号漫游车的下降速度从2马赫左右降至0.75米/秒,“空中吊车”主要负责帮助好奇号漫游车以零速度登陆火星表面。好奇号漫游车长3米,宽2.8米,高2.1米,机械臂长2.1米,车轮直径0.5米,重899公斤,搭载10种探测仪器,分别为“桅杆相机”、“火星手持透镜成像仪”、“火星降落成像仪”、“阿尔法粒子X射线分光计”、“化学摄像机”、“化学与矿物学分析仪”、“中子反照率动态探测器”、“火星样本分析仪”、“辐射评估探测器”和“火星车环境监测站”,能够从物理、化学和生物等角度开展一系列科学研究。
(二)科学目标
“火星科学实验室”是NASA“火星探测计划”(MEP)的一部分,所开展的任务均服务于MEP计划的四大战略目标。这四大战略目标分别为:1)确定火星上是否曾经存在过生命;2)描述火星的气候特征;3)描述火星的地质特征;4)为载人探测做准备。
此外,“火星科学实验室”还有一个特定目标,即确定火星的适居性。为加快推进上述目标的实现,“火星科学实验室”定义了八大具体目标,分属四大领域。生物领域的目标是:1)确定有机碳化合物的性质与详细目录;2)为构成生命的化学成分(碳、氢、氮、氧、磷、硫)编目;3)识别可能表述生物过程的特征。地质与地球化学领域的目标是:1)研究火星表面和近表面区域的化学、同位素与矿物学构成;2)解释岩石和土壤的形成过程。行星演化领域的目标是:1)评估长时间范围(例如40亿年)内的大气演化过程;2)确定水和二氧化碳目前的状态、分布和循环过程。表面辐射领域的目标是:确定表面辐射的广谱特征,包括宇宙射线、太阳质子事件和次级中子。
主要技术突破
(一)可拼接扩展的隔热设计
“火星科学实验室”的隔热罩使用了一种名为“酚醛树脂浸渍碳烧蚀体”(PICA)的材料,且由27种不同形状的共113片PICA隔热瓦构成。与以往火星着陆器的隔热罩相比,新型隔热罩的技术进步主要包括以下两个方面:一是可拼接扩展。PICA材料曾应用整体成型技术在“星尘”彗星探测器的样品返回舱上使用过,然而“火星科学实验室”4.5米的直径使得上述方案无法实施。“火星科学实验室”的隔热罩是世界上第一个拼接式热烧蚀隔热罩。拼接式的隔热设计不仅满足了“火星科学实验室”对隔热材料尺寸的特殊要求,而且为研制尺寸更大的载人或无人深空着陆器隔热罩奠定了技术基础。目前,“奥利安”载人探测飞船正计划应用这种设计模式。二是可承受更加苛刻的进入环境。“火星科学实验室”隔热罩巨大的尺寸使其在进入过程中遇到的气流由层流变为湍流,需要隔离的热量增至以往的2倍以上,面临的应力环境也变得更为复杂(以往的隔热罩大都采用SLA561V材料,而应力测试表明这种材料无法满足“火星科学实验室”可能遇到的剪切应力环境)。事实上,发射前的计算机模拟研究表明,“火星科学实验室”隔热罩在2011年发射窗口承受的极限温度为2090摄氏度,极限热通量为226瓦/平方厘米,极限剪切应力为490帕,极限压强为0.332个大气压,极限热载为6402焦/平方厘米,而“火星科学实验室”成功登陆火星的事实表明,拼接式PICA隔热罩可承受这一极端环境。
(二)安全准确的着陆方式
“火星科学实验室”的着陆质量达到899公斤,是有史以来质量最大的火星着陆器,目前的材料技术无法让其像之前更小的着陆器一样凭借气囊登陆,只能寻求软着陆的方式。“火星科学实验室”在继承此前火星着陆器降落伞和制动火箭减速技术的基础上,设计了一种新型的进入、下降与着陆系统。该系统的最大亮点在于能将着陆器的着陆精度由150公里提高到20公里,这使“火星科学实验室”在火星岩石等陡峭地面着陆的几率大大降低,着陆安全性大幅提高。为了实现上述目标,NASA
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